生成樹(shù)實(shí)例在西氣東輸一線SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭太翀 梁建青 王海峰 王多才 田家興 趙廉斌

(中國(guó)石油西氣東輸管道公司壓縮機(jī)處，湖北 武漢 430073)

生成樹(shù)實(shí)例在西氣東輸一線SCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭太翀 梁建青 王海峰 王多才 田家興 趙廉斌

(中國(guó)石油西氣東輸管道公司壓縮機(jī)處，湖北 武漢 430073)

通過(guò)對(duì)西氣東輸一線站場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)和冗余性特點(diǎn)進(jìn)行分析，找出了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路形成的原因和解決方法。在局域網(wǎng)Cisco交換機(jī)上，應(yīng)用生成樹(shù)實(shí)例對(duì)交換機(jī)配置進(jìn)行修改，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和冗余性的同時(shí)，使交換機(jī)能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)環(huán)路進(jìn)行自動(dòng)阻塞。結(jié)果表明，應(yīng)用生成樹(shù)實(shí)例后，網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問(wèn)題得到有效解決，設(shè)備間通信質(zhì)量和設(shè)備工作性能得到提升，SCADA系統(tǒng)局域網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性也相應(yīng)提高。

監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng) 局域網(wǎng)(LAN) 網(wǎng)絡(luò)環(huán)路 交換機(jī) 生成樹(shù)

0 引言

在西氣東輸一線站場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)局域網(wǎng)中，由于HIMatrix ESD系統(tǒng)模塊的硬件結(jié)構(gòu)和功能特性［1］，HIMatrix控制器F30［2］與兩臺(tái)Cisco交換機(jī)間的物理連接以及網(wǎng)絡(luò)通信的冗余要求，使得HIMatrix控制器F30、兩臺(tái)Cisco交換機(jī)在物理連接上形成了環(huán)路。這種環(huán)路在沒(méi)有被很好地處理時(shí)極易誘發(fā)廣播風(fēng)暴，進(jìn)而造成交換機(jī)死機(jī)、HIMatrix ESD系統(tǒng)模塊錯(cuò)誤等，給站場(chǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行造成很大影響。

目前，在應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問(wèn)題上，生成樹(shù)無(wú)疑是一種既經(jīng)濟(jì)又有效的解決方法，它能夠自動(dòng)阻塞可能導(dǎo)致環(huán)路的冗余路徑，確保網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備間在正常情況下只有一條邏輯路徑。

本文在充分研究和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)在站場(chǎng)Cisco交換機(jī)中運(yùn)用生成樹(shù)實(shí)例，有效解決了站場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問(wèn)題，消除了環(huán)路對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間通信質(zhì)量和設(shè)備工作性能的影響。

1 局域網(wǎng)環(huán)路的形成

1.1 網(wǎng)絡(luò)的冗余性

典型站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)配置圖如圖1所示。

圖1 站場(chǎng)SCADA系統(tǒng)配置圖Fig.1 SCADA configuration of the station site

由圖1可以看出，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，SCADA系統(tǒng)設(shè)備基本都以雙網(wǎng)的方式接入到局域網(wǎng)中，如PLC、ESD系統(tǒng)、操作員工作站、通信服務(wù)器、路由器等。它們各自都分別連接到兩臺(tái)Cisco交換機(jī)，并且兩臺(tái)交換機(jī)間用1根交叉線互連(交叉線分別連接兩臺(tái)交換機(jī)的端口Fa0/24)，保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的冗余性［3］。

1.2 HIMatrix ESD系統(tǒng)

HIMatrix ESD系統(tǒng)包括控制器模塊和遠(yuǎn)程I/O模塊?？刂破鞫酁镕30，遠(yuǎn)程I/O模塊主要為F3 DIO 20/8 01、F3 DIO 20/8 02、F2 DO 8 01 等［4-5］，每個(gè)模塊在硬件上都具有一個(gè)集成交換機(jī)，這與操作員工作站、PLC、RCI、路由器等不同。HIMatrix控制器F30的集成交換機(jī)上有4個(gè)RJ45口，遠(yuǎn)程I/O模塊的交換機(jī)上有2個(gè)RJ45口。每個(gè)HIMatrix模塊都有唯一的MAC地址和IP地址，通過(guò)專用軟件ELOP II Factory對(duì)其進(jìn)行IP設(shè)置［6］。以控制器F30為例，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 HIMatrix控制器F30結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of HIMatrix controller F30

HIMatrix控制器F30與遠(yuǎn)程I/O模塊之間通過(guò)網(wǎng)線串聯(lián)，并通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。遠(yuǎn)程I/O模塊只需與控制器F30進(jìn)行通信，F(xiàn)30再與局域網(wǎng)中其他設(shè)備如PLC通信。F30分別與兩臺(tái)Cisco交換機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)ESD系統(tǒng)與外部通信的冗余，其網(wǎng)絡(luò)接線如圖3所示，其中F3A、F3B和F3C為遠(yuǎn)程I/O模塊。

圖3 站場(chǎng)局域網(wǎng)物理環(huán)路Fig.3 LAN physical loop of the station

圖3中，HIMatrix F30模塊和兩臺(tái)Cisco交換機(jī)間形成了環(huán)路，這是網(wǎng)絡(luò)冗余性要求與設(shè)備硬件特性所造成的。

2 局域網(wǎng)環(huán)路及其影響

當(dāng)局域網(wǎng)中兩臺(tái)設(shè)備間存在多條路徑時(shí)，如果其間的交換機(jī)上禁用了生成樹(shù)協(xié)議(spanning tree protocol，STP)，則可能會(huì)出現(xiàn)第2層(數(shù)據(jù)鏈路層)環(huán)路［7］，即局域網(wǎng)環(huán)路。這是在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余的過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。

局域網(wǎng)環(huán)路對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的通信質(zhì)量以及設(shè)備的工作性能影響極大。網(wǎng)絡(luò)中的廣播幀不包含與它們相關(guān)的生存時(shí)間參數(shù)［8］，在局域網(wǎng)環(huán)路中，它們很可能會(huì)在交換機(jī)間無(wú)休止地傳輸，占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬，直到鏈路斷開(kāi)或環(huán)路解除為止。另外，環(huán)路還會(huì)使參與環(huán)路的所有交換機(jī)相互之間不斷轉(zhuǎn)發(fā)相同的幀，使得交換機(jī)CPU不得不處理大量的無(wú)用數(shù)據(jù)，導(dǎo)致CPU負(fù)載過(guò)高，而無(wú)法高效處理正常接收到的數(shù)據(jù)，極大地影響到網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備間的正常通信。同時(shí)，由于交換機(jī)MAC地址表不斷使用廣播幀的內(nèi)容進(jìn)行更新，造成交換機(jī)無(wú)法明確使用哪個(gè)端口才能將單播幀轉(zhuǎn)發(fā)到以太網(wǎng)幀指定的目的MAC地址，造成單播幀也在網(wǎng)絡(luò)中不斷循環(huán)。隨著網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)的幀越來(lái)越多，便形成了廣播風(fēng)暴［9］，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)性能，被卷入網(wǎng)絡(luò)環(huán)路的主機(jī)將無(wú)法被網(wǎng)絡(luò)中的其他主機(jī)訪問(wèn)。

在西氣東輸一線站場(chǎng)中，還出現(xiàn)過(guò)因廣播風(fēng)暴造成如交換機(jī)死機(jī)、HIMatrix ESD系統(tǒng)模塊出錯(cuò)、操作員站上出現(xiàn)大面積設(shè)備通信中斷以及各類誤報(bào)警［10］等故障，對(duì)站場(chǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行影響很大。

3 局域網(wǎng)環(huán)路的解決方法

生成樹(shù)協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.1d，在Cisco交換機(jī)中利用生成樹(shù)協(xié)議能夠很好地解決局域網(wǎng)環(huán)路問(wèn)題。STP會(huì)阻塞可能導(dǎo)致環(huán)路的冗余路徑，以確保網(wǎng)絡(luò)中正常情況下所有設(shè)備間只有一條邏輯路徑。當(dāng)一個(gè)端口阻止流量進(jìn)入或離開(kāi)時(shí)，該端口便視為處于阻塞狀態(tài)，一旦需要啟用該阻塞端口來(lái)消除網(wǎng)絡(luò)電纜損壞或其他故障造成的數(shù)據(jù)中斷時(shí)，STP就會(huì)將處于阻塞狀態(tài)的端口解除阻塞，使冗余路徑轉(zhuǎn)入活動(dòng)狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)难永m(xù)性［7］。

在此需要指出的是，HIMatrix控制器F30的集成交換機(jī)與Cisco交換機(jī)不同，用戶只能對(duì)F30的集成交換機(jī)進(jìn)行IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等的設(shè)置，不能進(jìn)行生成樹(shù)配置，因此生成樹(shù)的設(shè)置只能在Cisco交換機(jī)中進(jìn)行。以圖2為例進(jìn)行說(shuō)明，其中Cisco交換機(jī)以Catalyst 2950 Series為例，交換機(jī)上STP默認(rèn)為啟用，但是仍然需要對(duì)交換機(jī)的相關(guān)配置進(jìn)行修改，使得數(shù)據(jù)的傳輸沿著期望的路徑走，以達(dá)到最佳效果。

3.1 根橋設(shè)置

生成樹(shù)實(shí)例首先需要指定圖3中兩臺(tái)Cisco交換機(jī)中的一臺(tái)為根橋，以根橋作為生成樹(shù)計(jì)算的參考點(diǎn)來(lái)確定哪條冗余路徑應(yīng)被阻塞。哪臺(tái)交換機(jī)為根橋是通過(guò)其網(wǎng)橋ID(bridge ID，BID)大小來(lái)決定的，BID最小的將成為根橋。BID包括網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)、擴(kuò)展系統(tǒng)ID(即VLAN ID)、MAC地址3個(gè)字段。

在此，通過(guò)修改交換機(jī)的網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)實(shí)現(xiàn)對(duì)根橋的指定，網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。登錄1#交換機(jī)，在全局配置模式下使用“spanning-tree vlan 1 root primary”，將1#交換機(jī)設(shè)置為主根橋，其指令如下:

Switch1#configure terminal

Switch1(config)#spanning-tree vlan 1 root primary

登錄2#交換機(jī)，在全局配置模式下使用“spanningtree vlan 1 root secondary”，將2#交換機(jī)設(shè)置為輔根橋，其指令如下:

Switch2#configure terminal

Switch2(config)#spanning-tree vlan 1 root secondary

配置修改后，在特權(quán)模式下輸入“show spanningtree”指令查看生成樹(shù)配置信息，可以看到1#交換機(jī)和2#交換機(jī)的網(wǎng)橋優(yōu)先級(jí)將分別變?yōu)?4 576和28 672。因?yàn)?4 576＜28 672，所以1#交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)比2#交換機(jī)的高，且在1#交換機(jī)的生成樹(shù)配置信息中可以看到“This bridge is the root”語(yǔ)句，表示1#交換機(jī)已經(jīng)成為根橋。另外，在2#交換機(jī)的生成樹(shù)配置信息中可以看到“Port 24(FastEthernet0/24)”語(yǔ)句，表示2#交換機(jī)的根端口為Fa0/24;而“Cost 19”語(yǔ)句則表示從2#交換機(jī)根端口到1#交換機(jī)的路徑開(kāi)銷等于19。

3.2 VLAN中繼的配置

虛擬局域網(wǎng)(VLAN)中繼是以太網(wǎng)交換機(jī)接口和另一臺(tái)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(如路由器或計(jì)算機(jī))以太網(wǎng)接口之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路，負(fù)責(zé)在單個(gè)鏈路上傳輸多個(gè)VLAN的流量［7］。

對(duì)圖3中兩臺(tái)交換機(jī)互連的端口Fa0/24都進(jìn)行VLAN中繼配置，使這兩個(gè)端口更改為永久中繼模式，從而將它們間的鏈路強(qiáng)制作為中繼鏈路。在交換機(jī)端口Fa0/24配置模式下使用“switchport mode trunk”指令:

Switch1#configure terminal

Switch1(config)#interface fa0/24

Switch1(config-if)#switch port mode trunk

Switch2#configure terminal

Switch2(config)#interface fa0/24

Switch2(config-if)#switch port mode trunk

配置修改后，通過(guò)在特權(quán)模式下輸入“show interface fa0/24 switchport”指令，對(duì)端口Fa0/24管理和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看，兩臺(tái)交換機(jī)的端口Fa0/24信息相似。比如1#交換機(jī)端口Fa0/24的管理和運(yùn)行狀態(tài)，其中“Administrative Mode:trunk”表示該口的管理模式已經(jīng)變?yōu)橹欣^，“Trunking VLANs Enabled:ALL”表示該口對(duì)所有的VLAN都啟用中繼。

3.3 端口開(kāi)銷設(shè)置

STP使用的交換機(jī)端口開(kāi)銷值由IEEE定義，默認(rèn)情況下，端口開(kāi)銷由端口的鏈路速度決定，100 Mbit/s快速以太網(wǎng)端口開(kāi)銷為19，10 Mbit/s以太網(wǎng)端口開(kāi)銷為100［7］。為指定的生成樹(shù)實(shí)例選舉出根橋后，生成樹(shù)算法(spanning tree algorithm，STA)便開(kāi)始確定從廣播域內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)到根橋的最佳路徑。把從某臺(tái)交換機(jī)到根橋路徑上沿途的每個(gè)端口開(kāi)銷加在一起即為路徑開(kāi)銷，路徑開(kāi)銷最少的路徑將成為首選路徑，所有其他冗余路徑都會(huì)被阻塞。環(huán)路舉例如圖4所示。

圖4 環(huán)路舉例Fig.4 Example of the network loop

圖4中，Switch2通過(guò)路徑1到根橋Switch1的路徑開(kāi)銷是19，而使用路徑2的路徑開(kāi)銷是38(即19+19)。由于路徑1到根橋的路徑開(kāi)銷更少，因此它是首選路徑，生成樹(shù)協(xié)議(STP)隨后將冗余路徑2阻塞，以防形成環(huán)路。

盡管交換機(jī)端口具有與它們相關(guān)的默認(rèn)端口開(kāi)銷，但是端口開(kāi)銷是可以配置改變的。將圖3中1#交換機(jī)和2#交換機(jī)互連的端口Fa0/24都進(jìn)行開(kāi)銷修改，把它們的開(kāi)銷由默認(rèn)值19改為10，在端口Fa0/24配置模式下使用“spanning-tree vlan 1 cost 10”指令:

Switch1#configure terminal

Switch1(config)#interface fa0/24

Switch1(config-if)#spanning-tree vlan 1 cost 10

Switch2#configure terminal

Switch2(config)#interface fa0/24

Switch2(config-if)#spanning-tree vlan 1 cost 10

修改好后，在特權(quán)模式下輸入“show spanningtree”指令查看生成樹(shù)配置信息，可以看到1#交換機(jī)端口Fa0/24的開(kāi)銷由原來(lái)的19修改成了10。同樣，2#交換機(jī)的端口Fa0/24的開(kāi)銷也修改成了10。

HIMatrix控制器F30與兩臺(tái)交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)傳輸路徑如圖5所示。

圖5中，路徑1為兩臺(tái)Cisco交換機(jī)端口Fa0/24間的鏈路，路徑2為HIMatrix控制器F30模塊集成交換機(jī)上的兩個(gè)以太網(wǎng)口分別接到兩臺(tái)Cisco交換機(jī)后形成的鏈路。經(jīng)過(guò)對(duì)兩臺(tái)交換機(jī)端口Fa0/24開(kāi)銷的修改后，路徑1的路徑開(kāi)銷為10，路徑2的路徑總開(kāi)銷≥19，即Swich2到Swich1的首選路徑為路徑1，而冗余路徑2將被STP阻塞，防止了環(huán)路的形成。這樣當(dāng)接到Swich2上的PC0要與接到Swich1上的PC1進(jìn)行通信時(shí)，數(shù)據(jù)包所走的路徑必定為路徑1，而非路徑2，除非路徑1中斷。局域網(wǎng)環(huán)路問(wèn)題因此得到了有效解決。

圖5 站場(chǎng)局域網(wǎng)環(huán)路舉例Fig.5 Example of the LAN loop of the station

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)在兩臺(tái)Cisco交換機(jī)上運(yùn)用生成樹(shù)實(shí)例，對(duì)交換機(jī)配置進(jìn)行了修改，消除了網(wǎng)絡(luò)環(huán)路，避免了由環(huán)路引起的廣播風(fēng)暴，同時(shí)保證了網(wǎng)絡(luò)的冗余性，從而提高了SCADA系統(tǒng)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備間相互通信的穩(wěn)定性和可靠性。將該技術(shù)推廣到西氣東輸一線SCADA系統(tǒng)局域網(wǎng)更為復(fù)雜的站場(chǎng)，采用類似的方法同樣取得了很好的效果。

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［2］ HIMatrix Paul Hildebrandt GmbH+Co KG.HIMatrix safety-related controller F30 manual［DB/OL］.［2010-06-23］.［2011-08-12］.http://www.hima.com/Products/HIMatrix/Documentation HIMatrix_default.php.

［3］王寶智，馬潮技.局域網(wǎng)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)實(shí)用教程［M］.2版.北京:清華大學(xué)出版社，2010:165-166.

［4］ HIMatrix Paul Hildebrandt GmbH+Co KG.HIMatrix safety-related controller F3 DIO 20/8 02 manual［DB/OL］.［2010-06-23］.［2011-08-12］.http://www.hima.com/Products/HIMatrix/Documentation__HIMatrix_default.php.

［5］ HIMatrix Paul Hildebrandt GmbH + Co KG.HIMatrix safetyrelated controller F2 DO 8 01 manual［DB/OL］.［2010-06-23］［2011-08-12］.http://www.hima.com/Products/HIMatrix/Documentation__HIMatrix_default.php.

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［8］Jacobson D.網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)——網(wǎng)絡(luò)攻防、協(xié)議與安全［M］.仰禮友，趙紅宇，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2011:58-67.

［9］Lewis W.思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教程CCNA 3交換基礎(chǔ)與中級(jí)路由［M］.北京工業(yè)大學(xué)，北京郵電大學(xué)，思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院，譯.北京:人民郵電出版社，2008:164-168.

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Application of the Spanning-tree Instance in the SCADA System of West-East Natural Gas Line I

Through analyzing the structure and redundancy features of LAN of the SCADA in the station site of West-East Natural Gas Line I，the forming reasons of the system network loop and solutions are found.On the Cisco switches in LAN，by adopting the spanning-tree instance，the configuration of switches is modified;thus the switches can block the network loop automatically while the structure and redundancy of the network are unchanged.The result indicates that after applying the spanning-tree instance，the problem of network loop is solved effectively，the communication quality and performance of devices are enhanced，and the stability and reliability of LAN of the SCADA are improved.

Supervisory control and data acquisition(SCADA)system Local area network(LAN)Network loop Switch Spanning tree

TN915+.2

A

修改稿收到日期:2011-10-24。

彭太翀(1986-)，男，2008年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動(dòng)控制系，獲學(xué)士學(xué)位，助理工程師;主要從事天然氣長(zhǎng)輸管道自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和研究工作。